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완강한바다사자135
탄소섬유는 왜 철보다 가벼우면서도 강도가 높은 건지 궁금해요
겉으로 보면 단순한 소재 같지만 항공기에도 사용될 만큼 강하다고 하더라고요. 내부 구조가 어떤 특징을 가지는지 궁금해요. 고수님들 알려주세요~
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
탄소섬유는 말 그대로 탄소로 이루어진 섬유를 말합니다. 원자 번호를 보면 탄소는 원자번호 6번으로 상당히 가벼운 원소에 속합니다.
탄소섬유가 철보다 가벼우면서도 강하게 느껴지는 이유는 결국 재료 안에서 탄소 원자들이 길게 이어진 섬유 방향으로 매우 단단하게 결합이 되어 있기 때문입니다. 철은 전체가 무겁고 단단한 금속 덩어리라면, 탄소섬유는 가늘고 강한 실 같은 구조가 힘을 방식에 가깝다고 보시면 되겠습니다.
말씀하신 항공기에 쓰이는 것은 탄소 섬유만 쓰는게 아니고 탄소섬유에 수지를 함께 첨가한 탄소섬유 강화 복합체의 형태로 많이 활용합니다. 이 경우 섬유 방향을 어떻게 배치하느냐에 따라서 필요한 방향의 강도를 크게 높일 수 있는 장점이 있습니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
탄소섬유는 탄소 원자들이 강한 공유결합으로 길게 연결된 경정 구조를 이루고 있어 무게는 매우 가볍지만 인장강도는 철보다 훨씬 높습니다 또한 가는 섬유를 여러 방향으로 배열해 수지와 결합한 복합재 형태로 사용하기 때문에 강도와 강성을 크게 높일 수 있습니다 그래서 항공기 우주선 스포츠카 등에 상요되며 같은 강도를 낼 때 철보다 훨씬 가벼워 연료 절감과 성능 향상에 큰 장점을 제공합니다
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
탄소섬유가 가벼우면서 강한 비밀은 탄소 원자들이 결합하는 방식과 그것을 실처럼 길게 정렬한 구조 두 가지에 있어요. 하나씩 풀어볼게요.
먼저 가벼운 이유는 재료 자체가 탄소이기 때문이에요. 탄소는 원자 하나의 무게가 철의 약 4분의 1밖에 안 되는 가벼운 원소예요. 그래서 같은 부피라도 철보다 훨씬 가볍죠. 연필심이나 숯도 다 탄소인데, 이렇게 흔하고 가벼운 원소가 어떻게 배열되느냐에 따라 무른 숯이 되기도 하고 강철보다 강한 섬유가 되기도 하는 거예요.
강한 이유의 핵심은 탄소 원자들의 결합이에요. 탄소섬유 안에서 탄소 원자들은 육각형 벌집 모양으로 촘촘하게 연결돼 있어요. 이 탄소끼리의 결합은 자연계에서 가장 강한 결합 중 하나예요. 같은 탄소로 이루어진 다이아몬드가 그토록 단단한 것도 이 결합 덕분인데, 탄소섬유도 이 강력한 결합을 바탕에 깔고 있거든요. 결합 자체가 워낙 튼튼하니까 잡아당기는 힘에 굉장히 잘 버티는 거예요.
그런데 결합만으로 끝이 아니에요. 진짜 비밀은 이 벌집 구조가 실의 길이 방향으로 가지런히 정렬돼 있다는 점이에요. 탄소섬유는 머리카락보다 훨씬 가는 탄소 실 수천 가닥을 묶어 만드는데, 각 실 안에서 탄소층이 섬유가 늘어선 방향과 나란히 줄을 맞추고 있어요. 그래서 그 방향으로 잡아당기면 강력한 탄소 결합이 힘을 정면으로 받아내니까 엄청난 강도가 나오는 거예요. 밧줄을 만들 때 가는 실을 길게 정렬해서 꼬면 훨씬 질겨지는 것과 비슷한 원리예요.
철이 이보다 무거우면서 약한 이유를 보면 차이가 분명해져요. 철은 내부가 결정 알갱이들이 뭉친 구조라 알갱이 사이 경계에 약한 지점이 숨어 있어요. 힘을 받으면 이 경계를 따라 원자 배열이 미끄러지면서 변형되거든요. 반면 탄소섬유는 길게 이어진 탄소 결합이 끊김 없이 힘을 분산시켜서 약한 고리가 적은 거예요. 무게 대비 강도로 따지면 철의 몇 배에 달하는 이유가 여기 있어요.
다만 탄소섬유에도 약점이 있어요. 섬유 방향으로 잡아당기는 힘에는 압도적으로 강하지만, 옆에서 누르거나 한 점에 충격을 주면 의외로 잘 갈라져요. 실을 세로로 당기면 안 끊어져도 가위로 옆을 자르면 쉽게 잘리는 것과 비슷해요. 그래서 실제로는 탄소섬유를 여러 방향으로 겹쳐 쌓고 수지로 굳혀서 탄소섬유 강화 플라스틱이라는 형태로 만들어요. 항공기 동체나 고급 자동차에 쓰이는 게 바로 이거예요. 방향마다 약점을 서로 보완하도록 짜맞춰서 가볍고 강한 성질만 살린 거랍니다.
정리하면 탄소섬유는 가벼운 탄소 원자를 가장 강한 결합으로 이어 붙이고, 그것을 실 방향으로 정렬해 힘을 효율적으로 받아내는 소재예요. 재료의 가벼움과 결합의 강함, 구조의 정렬이 삼박자로 맞아떨어진 결과가 철보다 가볍고 강한 꿈의 소재를 만들어낸 거랍니다 :)